美研發新催化劑 有效降低電解水的製氫成本

科學家們希望從再生水提取氫氣用於發電，但電解槽在分解水使用的催化劑不僅含貴重金屬，且容易在使用過程出現損耗，這無異於增加提取氫氣的成本。對此，美國國家團隊研究出一種便宜的催化劑，降低了製氫的成本。

氫氣不僅為車輛和船隻等提供動力，還能為民生和工業提供一定的電力。氫氣經過燃燒，只會產生單純的水，對環境無污染。另外，氫氣也是煉鋼和生產氨氣重要的化學材料，而這些行業都需要使用純淨的氫氣。

美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室、美國桑迪亞國家實驗室（SNL）、勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）和吉納（Giner）公司團隊共同開發一種含鈷（Co）金屬低成本的催化劑，該催化劑可以用於質子交換膜（PEM）電解槽上。這一研究成果今年5月發表在《科學》雜誌上。

PEM又稱「高分子電解質膜」，主要是用作交換膜燃料電池的膜，是一種離子聚合物的半透膜，可以隔絕氧或氫，起到分離反應物及傳導質子的功效。

在接近室溫的條件下，PEM電解槽的每個電極（陰極和陽極）都使用單獨的催化劑運行，並以更高的效率將水分解為氫氣和氧氣，而陰極催化劑產生氫氣，陽極催化劑形成氧氣。

由於PEM電解槽擁有更低的電阻損耗、更低的能源需求、更小的體積設計等優點，讓它變成為市場生產氫氣的新寵兒。

不過，PEM電解槽的缺點是離不開貴金屬。市面上的PEM陽極催化劑，使用鉑（白金）系列的貴金屬銥（Ir），因為銥可以在極端條件下依然保持很高的強度，但銥的市場價格每安士大約5,000美元。在銥高成本和市場供應不足的情況下，導致使用PEM電解槽製造的氫和氧價格不夠親民。

這次科學家研發的新催化劑，主要成份是鈷和少許的鑭（La）和錳（Mn）金屬，形成穩定的鈷氧化物，並編入經過靜電處理的紡絲形成LMCF。該LMCF不僅達到電催化析氧反應（OER）的基本要求，裏面的金屬容易取得且價格遠比銥便宜，還能在強酸的環境中穩定工作。

為了解鑭、錳和鈷形成的氧化物LMCF在解電解槽中的反應機制。他們透過阿貢實驗室的X射線衍射（XRD）結合掃瞄電子顯微鏡（SEM），對LMCF進行X射線光譜（EDX）結構分析，破譯該催化劑在操作條件下發生的關鍵結構變化。

科學家透過X 射線光電子能譜（XPS），去觀察LMCF的電子構型和配位結構。他們發現電子出現能量的躍遷和Mn替代部份的Co離子（Co3+），並鑲入氧化鈷內，而Mn離子（Mn3+）增強了LMCF在酸中的OER活性。

該團隊將LMCF放入過氯酸（HClO4）去評估LMCF的OER催化活性，以更好地了解摻雜La和Mn對LMCF的影響。他們拿含Co3O4的纖維（CF）摻雜進La形成LCF、商用Co3O4和純Ir進行活性上的比較。

結果顯示，CF在添加Mn和La後OER活性有逐步改善，而LMCF催化劑產生的性能，超過商用Co3O4和接近單純的Ir。

另外，在測試中只有極少部份的Co、Mn和La離子損失，但幾乎不影響催化劑的活性，因此科學家推測可能LMCF上鬆散的氧化物被釋放出來。

該團隊在工業操作條件下將LMCF放入PEM電解槽進行評估測試，發現其性能和耐用性都遠遠超過其它的催化劑，這有助於降低生產成本。

阿貢高級化學家劉迪佳（Di-Jia Liu，音譯）博士對阿貢國家實驗室的新聞室表示，「我們要在PEM電解槽中開發一種低成本的陽極催化劑，以高通量產生氫氣，同時消耗最少的能量。通過使用我們的方法製備的鈷基催化劑，可以解決PEM電解槽生產氫氣的成本（過高）這一瓶頸。」

他還表示，「簡單來說，我們的團隊在製氫上開闢了一條更有前途的道路，讓更便宜、更豐富的元素，取代貴金屬製成的催化劑。」@

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美研發新催化劑有效降低電解水的製氫成本